Fabrication additivefrederic.segonds.free.fr/documents/Laverne-TI-2016.pdf · 2020. 9. 1. · Functionally Graded Material – FGM) [5]. Il s’agit de matériaux composites dont

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Fabrication additive

Principes généraux

par Floriane LAVERNEProfesseur agrégéLaboratoire Conception de Produits et Innovation (LCPI), Arts et Métiers ParisTech, Paris,France

Frédéric SEGONDSMaître de conférencesLaboratoire Conception de Produits et Innovation (LCPI), Arts et Métiers ParisTech, Paris,France

et Patrice DUBOISMaître de conférencesLaboratoire Conception de Produits et Innovation (LCPI), Arts et Métiers ParisTech, Paris,France

epuis le début des années 1980, le déploiement de la révolution numé-rique impacte directement notre quotidien : mondialisation accrue des

marchés, concurrence exacerbée imposant aux entreprises une réactivitéoptimale, et une capacité d’adaptation constante au renouvellement desproduits et des services.

Ainsi, afin de conserver et/ou d’acquérir de nouvelles parts de marché comptetenu du taux de renouvellement accéléré des produits, les entreprises doivent :

– maîtriser leurs coûts ;– améliorer constamment la qualité de leurs produits/services ;– réduire drastiquement leurs délais de développement et de mise sur le

marché.

1. Principe de la Fabrication Additive.................................................. BM 7 017v2 - 21.1 Définition de la fabrication additive ........................................................ — 21.2 Atouts de la fabrication additive.............................................................. — 31.3 Usages associés à la fabrication additive ............................................... — 41.4 Domaines d’utilisation.............................................................................. — 6

2. Chaîne numérique de la Fabrication Additive :du modèle au produit ........................................................................... — 7

2.1 Création d’un modèle numérique 3D du produit ................................... — 72.2 Conversion et contrôle des données....................................................... — 82.3 Préparation de la production et fabrication ............................................ — 82.4 Post-traitement.......................................................................................... — 9

3. Triptyque matériaux/procédés/machines en FabricationAdditive .................................................................................................... — 9

3.1 Matériaux — 93.2 Procédés .................................................................................................... — 93.3 Machines pour la FA ................................................................................. — 13

4. Évolutions liées à la Fabrication Additive...................................... — 144.1 Processus de conception.......................................................................... — 144.2 Émergence d’un nouvel écosystème ...................................................... — 14

5. Conclusion............................................................................................... — 14

6. Glossaire .................................................................................................. — 14

Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. BM 7 017v2

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FABRICATION ADDITIVE _____________________________________________________________________________________________________________

Pour répondre à ces critères essentiels de réussite, les entreprises s’adaptenten permanence à de nouveaux environnements externes et doivent intégrer ausein de leur processus de conception (et de leur organisation) les technologiesissues de l’évolution numérique.

Le premier brevet en lien avec la Fabrication Additive (FA) déposé parl’équipe de Jean-Claude André déclenche une révolution dans le domaine desprocédés de fabrication et par extension dans le domaine de la production.D’un premier fabricant en 1986 (3D Systems), on comptabilise une cinquan-taine de fabricants de machines en 2015.

La FA impacte actuellement tous les domaines de l’industrie et notammentles industries automobile, aéronautique et médicale.

Durant les premières années de la FA (années 1990 à 2000), les applicationsconcernent essentiellement les phases amont de la conception de produits :maquettes d’aspect, maquettes fonctionnelles, prototypes technologiques maisaussi l’exploration de la conception d’outillages dits « rapides ». Ce n’est qu’àpartir des années 2010 que l’on peut considérer la maturité des procédés tellequ’elle permet une production en série de pièces manufacturées.

Après avoir introduit les principes de la FA, nous présenterons dans cetarticle les différentes étapes permettant de passer de l’idée au produit, puisnous analyserons sous l’angle particulier de la FA le triptyque matériaux/procédés/machines. Enfin, nous proposerons une description des évolutionsnécessaires en lien avec cette nouvelle technologie, tant sur le plan desprocessus de conception que sur celui de l’écosystème dans lequel la FA sedéploie.

1. Principe de la Fabrication Additive

1.1 Définition de la fabrication additive

Cependant, si l’acception de la fabrication additive (FA) estaujourd’hui normalisée, il n’est pas rare que d’autres termes soientutilisés pour parler de cette technologie de fabrication. Les plusrécurrents, bien que pouvant être parfois considérés commeréducteurs, sont :

– fabrication par couches ;– impression 3D ;– fabrication digitale ;– prototypage rapide ;– production rapide.

Le principe physique sur lequel repose la FA est utilisé dès la findu XIXe siècle dans le cadre de la photosculpture et de latopographie [2]. Il consiste à réaliser un produit grâce à un empile-ment successif de strates. La préparation de la maquette numéri-que permet de définir les sections de l’objet 3D à réaliser par sondécoupage successif par des plans parallèles. La distance entrechaque section correspond à l’épaisseur d’une couche. Pourreconstituer l’objet, les sections sont empilées séquentiellementles unes sur les autres (figure 1).

La FA est donc issue d’un processus de fabrication génératif serésumant à deux étapes réitérées jusqu’à l’obtention du produitfini :

1. Génération d’une couche de matière suivant un contour etune épaisseur fixés. La matière est déposée uniquement là où elleest nécessaire ;

2. Réalisation de la nouvelle couche par addition de matièreau-dessus de la couche précédente. La fabrication peut se résumerà une fabrication dite en escalier (figure 1).

Ainsi, du fait de ce principe d’ajout de matière, la FA bouleverseles techniques de fabrication dites traditionnelles que sont :

– les procédés par enlèvement de matière (tels que l’usinage) oùle produit est réalisé à partir d’une ébauche brute sur laquelle lamatière va être progressivement enlevée afin de lui conférer uneforme finale ;

– les procédés de formage (tels que la fonderie ou la forge àchaud) dans lesquels la matière est amenée dans un état liquideou visqueux, puis est mise en forme par écoulement dans unmoule ou par rapprochement de deux matrices.

La norme NF E 67-001 [1] définit la fabrication additivecomme « l’ensemble des procédés permettant de fabriquer,couche par couche, par ajout de matière, un objet physique àpartir d’un objet numérique ».

Figure 1 – Principe de la fabrication additive

Bas

Direction de fabrication Haut

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1.2 Atouts de la fabrication additive

Grâce à la FA, les outillages dédiés ou les ébauches brutes dematière inhérents aux procédés traditionnels deviennent inutiles etles contraintes liées à leur conception et leur fabrication sont alorslevées (gains de temps et d’argent). Ainsi, les possibilités uniquesde la FA offrent de nouvelles perspectives pour la réalisation deformes complexes (inclusion, cavité...), irréalisables par des procé-dés tels que l’usinage.

On dénombre quatre types de complexités [3] :

– géométrique ;

– hiérarchique ;

– matériau ;

– fonctionnelle.

1.2.1 Complexité géométrique

C’est le premier intérêt de la FA en termes de fabrication de pro-duits. En effet, il est possible de réaliser n’importe quelle géo-métrie en une seule opération et donc de repousser les limites destechniques traditionnelles.

D’une part, la possibilité de produire des géométries complexessans contrainte supplémentaire s’explique par le fait que les pro-blèmes de géométrie, traités en 3D en fabrication traditionnelle,sont ici décomposés en une série de problèmes 2D beaucoup plusfaciles à appréhender. Ainsi, puisque le produit est fabriqué cou-che par couche, il est possible d’obtenir des formes creuses sansavoir recours au noyautage ou aux dépouilles, ou sans devoirprendre en compte l’accessibilité des outils lors de la réalisation decanaux internes non rectilignes. De plus, les formes complexesn’ont plus besoin d’être scindées sur différents composants quiseront assemblés ultérieurement, ce qui conduit à la diminution dunombre de pièces et à la réduction (voire la suppression) des opé-rations d’assemblage.

D’autre part, fabriquer des géométries complexes internes ouexternes en FA n’engendre pas de surcoût. Ce constat sembled’autant plus paradoxal que c’est l’inverse qui se produit dans lecas des procédés traditionnels, car les géométries complexesnécessitent de nombreuses opérations pouvant s’avérer rédhibitoi-res en termes de temps et de coûts ou étant, dans certains cas,irréalisables.

1.2.2 Complexité hiérarchique

Avec la FA, il est désormais possible de réaliser des produits àstructures complexes de type treillis, alvéolaires ou bioniques(figure 2 et [4]) sans opération d’assemblage (boulonnage, sou-dage, rivetage, etc.) des différents éléments. De plus, elle permet deréaliser les motifs d’une structure à différentes échelles, du micro-scopique jusqu’au macroscopique, sur le modèle des fractales.

L’intérêt principal de cette complexité hiérarchique est l’allè-gement des produits : les structures pleines peuvent être rempla-cées par des structures beaucoup plus légères, mais présentantdes propriétés mécaniques équivalentes.

1.2.3 Complexité matériau

Une pièce peut être qualifiée de multi-matériaux lorsqu’elle estconstituée d’au moins deux matériaux dont la distribution varie enfonction de l’épaisseur. La figure 3 illustre de façon schématiqueces deux principes en l’appliquant à un prototype de semelle dechaussure de sport.

Dans le cas d’une distribution continue, les matériaux obtenussont appelés matériaux à gradient fonctionnel de propriétés (ouFunctionally Graded Material – FGM) [5]. Il s’agit de matériauxcomposites dont la composition et la microstructure évoluent pro-gressivement dans la pièce, conduisant ainsi à une variation despropriétés mécaniques. La performance globale du matériau estalors supérieure à celle des composants pris séparément.

La distribution discontinue permet l’obtention de pièces consti-tuées d’un empilement de zones mono-matériau. La complexitématériau obtenue dans ce cas-là est plus élémentaire, car les perfor-mances obtenues sont inférieures à celles des matériaux à gradientde propriétés.

On perçoit donc tout le potentiel que peut offrir la FA dans laréalisation de ces pièces multi-matériaux : au sein d’une mêmecouche, la matière étant déposée point par point ou simultané-ment, il est possible de réaliser n’importe quelle compositionapportant au produit des propriétés mécaniques, thermiques ouchimiques uniques.

1.2.4 Complexité fonctionnelle

Avec la FA, des ensembles complets de composants pré-assemblés et prêts à l’emploi peuvent être fabriqués. On peut ainsiinclure des corps étrangers en cours de fabrication, ce qui permetune augmentation de la richesse fonctionnelle des produits fabri-qués. Par exemple, il est possible de prévoir dès la conception descavités qui pourront accueillir pendant la fabrication des corps telsque des écrous, de la fibre optique, des composants électroniquesou électriques. L’inclusion permet de réduire le nombre de procé-dés nécessaires à la fabrication d’une pièce, d’éliminer l’assem-blage a posteriori et de pallier la difficile maîtrise des matériaux àgradient.

Figure 2 – Exemples de structures complexes réalisablesen FA (crédit Murr, et al. [4])



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1.3 Usages associés à la fabrication additive

La FA a connu un essor industriel à partir de 1988, date de lamise sur le marché d’une machine développée par Hull [6]. Elle n’aensuite pas cessé d’évoluer au rythme d’améliorations techniqueset technologiques successives [7], permettant un accroissementdes usages possibles : le prototypage rapide et la fabricationrapide. La figure 4 présente les différents usages de la FA qui sontdétaillés dans la suite de cet article.

1.3.1 Prototypage Rapide

D’un point de vue industriel, le Prototypage Rapide (PR) a été levecteur de développement de la FA. En effet, la réalisation de pro-totypes était considérée comme une étape complexe, fastidieuseet coûteuse [3] qui ralentissait le processus de conception. La tech-nologie FA a diminué le temps de mise sur le marché, car elle per-met d’obtenir rapidement les représentations intermédiairesphysiques servant à la validation des étapes de conception ou de

développement d’un produit (forme, aspect, ergonomie...) et ceavant sa version finale et sa commercialisation. On distingue deuxapproches dans le PR : la modélisation de concepts et l’obtentionde prototypes fonctionnels.

La modélisation de concepts est utilisée pour obtenir une repré-sentation 3D d’un concept de base afin d’en juger l’aspect généralet/ou les proportions. Avec le PR, les modèles obtenus ne peuventpas subir d’effort, mais l’introduction de la couleur sans opérationultérieure de peinture est possible.

Les prototypes fonctionnels sont utilisés, quant à eux, pour lavalidation d’une fonction spécifique du produit (tenue mécanique,propriétés thermiques etc.), d’un objectif de conception (fabri-cation, maintenance, sécurité...), voire l’utilisation ou le fonction-nement du concept. Ils sont donc un outil d’aide à la décision,même si la représentation intermédiaire qui a été créée ne peutpas être utilisée en tant qu’élément constitutif du produit final. Àpartir du milieu des années 1990, l’application de la FA limitéeexclusivement au PR s’est orientée vers une nouvelle approche : laFabrication Rapide.

Figure 3 – Illustration de la complexité matériau permise par la FA

Distribution discontinueDistribution continue

Matériau AMatériau A

Semelle multi-matériaux(crédit Stratasys)

Matériau B

Matériau B

Matériau A

Matériau A

Matériau B Matériau A

Figure 4 – Usages de la fabrication additive

Fabrication Rapide

Fabrication AdditiveDirecte

Outillage RapideIndirect

Outillage RapideDirect

Outillage Rapide

Prototypage Rapide

Technologie

Usages

FabricationAdditive

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1.3.2 Fabrication Rapide

L’intérêt croissant pour la Fabrication Rapide (FR) de la part desindustriels s’explique notamment par l’arrivée à maturité de cer-tains procédés, tels que la fusion sur lit de poudre, désormais bienmaîtrisés et pour lesquels la précision des machines s’est accrue,la gamme de matériaux disponibles s’est élargie et les propriétésmécaniques des pièces sont devenues comparables à cellesréalisées avec d’autres techniques de fabrication [BM 7 900]. Ceséléments ont ainsi permis la fabrication en FR de produits à mêmede respecter l’ensemble des caractéristiques et des fonctionsfixées par le cahier des charges. Toutefois, il est nécessaire dedistinguer au sein de l’approche FR, l’Outillage Rapide et laFabrication Additive Directe.

1.3.2.1 Outillage Rapide

L’idée de base de l’Outillage Rapide (OR) est apparue dans lesannées 1990. À son origine, l’OR a été uniquement utilisé pourobtenir une empreinte servant à la validation des gammes defabrication lors des tests de pré-industrialisation. Par la suite, sonusage a été étendu à la fabrication d’outillages fonctionnels de for-mes complexes (matrices, moules d’injection...) destinés à la pro-duction en grandes séries. L’OR est donc une utilisation indirectede la FA puisque seuls les outillages et non les produits finauxsont réalisés de façon additive.

L’OR a ainsi permis de réduire les temps de développement et defabrication car les modifications de l’outillage peuvent être faitesrapidement et sans avoir recours à des procédés de fabricationcoûteux, tels que l’usinage ou l’électro- érosion.

On distingue deux catégories au sein de l’OR (figure 5) :– Outillage Rapide Direct où la FA est utilisée pour obtenir

directement le moule ou l’empreinte à partir d’un modèle CAO ;– Outillage Rapide Indirect où la FA est utilisée pour créer un

modèle qui servira ensuite à faire le moule à partir duquel le pro-duit sera réalisé (cas de la fonderie à la cire perdue).

1.3.2.2 Fabrication Additive Directe

La part de FAD dans la FA n’a cessé de croître ces dernièresannées, passant de 4 % en 2001 à 28,3 % des pièces produites en2013 [8].

Pour une production en petite série (environ 10 000 pièces plas-tiques ou 1 000 pièces métalliques) mais également pour les piè-ces complexes ou à haute valeur ajoutée, la FAD permet des coûtsde production très compétitifs par rapport aux technologies tradi-tionnelles qui doivent faire face à des budgets initiaux élevés liés àl’achat des outillages ou des machines et à la mise au point de leurprocess de fabrication (figure 6). La FAD permet également uneréduction conséquente des pertes de matière : seulement 3 % depertes pour certaines pièces aéronautiques fabriquées en FAcontre 80 à 90 % de copeaux pour celles obtenues par usinage.

Par Fabrication Additive Directe (FAD) on entend l’élabora-tion de produits ou de composants denses (densité proche de1) et résistants mécaniquement, c’est-à-dire finis et fonction-nels.

Figure 5 – Outillage indirect ou direct : exemples (crédits Voxeljet et EOS)

Figure 6 – Impact du processus choisi sur les temps et étapes de développement et fabrication d’une pièce fonctionnelle

Outillage rapide indirectÀ gauche : modèle de turbocompresseurfabriqué en PMMA par projection de matièreÀ droite : pièce finale obtenue en fonderieà modèle perdu

Outillage rapide directMoule acier réalisé en fusion sur lit de poudre

PROCESSUSTRADITIONNEL

PROCESSUSADDITIF

Conceptiondu produit

Conceptiondu produit

Fabricationadditive

Conception et fabricationdes outillages

Piècefonctionnelle

Mise au point du processPiècefonctionnelle

Fabricationtraditionnelle




1.4 Domaines d’utilisationLa FA n’a pas vocation à supplanter les procédés de fabrication

traditionnels, mais bien à apporter une réponse technologique àleurs limites. Grâce aux atouts de la FA présentés dans le para-graphe 1.2, de nouvelles perspectives d’innovation dans le domainedes produits apparaissent, particulièrement dans le cadre de la FAD.Aujourd’hui trois grands domaines sont impactés par cesperspectives :

– fabrication à la demande et customisation ;– fabrication de petites séries ou à forte valeur ajoutée ;– fabrication sur mesure.

La fabrication à la demande ou customisation est le domained’usage de la FA le plus ancien et le plus implanté. Il s’adresseessentiellement à un usage dit grand public de la FA.

Les secteurs de l’aéronautique, de la défense et du spatial ontété des pionniers dans le domaine de la fabrication de petitesséries ou à forte valeur ajoutée ; même si aujourd’hui d’autres sec-teurs tels que le sport automobile s’y intéressent également(figure 7).

L’enjeu majeur est de bénéficier des allégements de masse per-mis par l’utilisation des formes complexes, de simplifier les assem-blages, voire de pallier les difficultés liées à l’usinage de certainsmétaux comme l’inconel. Des pièces fabriquées en FAD sontd’ores et déjà sur le marché.

Cependant, malgré tout l’intérêt de la FA dans ces secteurs,l’obstacle majeur demeure le délai nécessaire à l’homologation etla qualification des pièces que ce soit pour une première utilisationdu produit ou pour la maintenance. Compte tenu de la rapidité desévolutions technologiques, ce délai peut parfois conduire à laqualification d’un procédé devenu entre-temps obsolète.

Le marché de la fabrication sur mesure a également été large-ment adopté par le secteur médical et représente en 2014 13,7 %du marché de la FAD selon le rapport Wohlers. La FA offre la pos-sibilité de réaliser des prothèses auditives, des volets crâniens(figure 9 et [4]), des implants dentaires ou orthopédiques parfaite-ment adaptés à la morphologie du patient et dans des matériauxbiocompatibles (alliages Titane type Ti6Al4V ou alliage ChromeCobalt). D’après le cabinet McKinsey, 40 000 prothèses de hancheont été produites en 2012 en FA. La possibilité de fabriquer des

À titre d’exemple, après General Electric pour le moteur Leap, lasociété Turbomeca s’est lancée dans la fabrication additive pour sonprogramme « Ligne du Futur ». Ainsi, une machine de fusion sur lit depoudre (Fusion Sélective par Laser) est aujourd’hui qualifiée pour laproduction en série des tourbillonneurs de chambre de combustionpour les moteurs Ardiden 3 (environ 1 000 moteurs par an) et desinjecteurs de carburant pour les moteurs Arrano équipant les hélico-ptères de la classe des 4 à 6 t. L’utilisation de la FA pour lesinjecteurs a ainsi permis de réduire l’assemblage de 12 pièces à unsystème monobloc avec des formes internes irréalisables jusqu’ici(figure 8).

Figure 7 – Roll-loop de Formule1 (crédit Poly-Shape)

Figure 8 – Injecteur de carburant et tourbillonneur de chambrede combustion (crédit Turbomeca – R. Bertrand)

Figure 9 – Volet-crânien en Ti6Al4V obtenu avec un procédéde fusion sur lit de poudre (crédit Murr, et al. [4])

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implants utilisant des structures treillis, impossibles à réaliserjusqu’alors, a été un second déclencheur de l’adoption de la FA. Eneffet, les structures treillis ont démontré leur utilité, car elles favo-risent la croissance des tissus organiques et sont, à propriétés éga-les, plus légères. Enfin, les perspectives offertes par la FA dans ledomaine médical sont telles que des travaux de recherche s’inté-ressent désormais à la fabrication additive d’organes à partir decellules destinés à être implantés sur des patients vivants. Bienque le secteur médical soit le meilleur exemple de l’utilisation dela FA pour la fabrication sur mesure, d’autres secteurs comme labijouterie ou l’art ont également vu la possibilité avec la FA dedévelopper, dans des délais courts, des produits spécifiques àchacun de leurs clients.

2. Chaîne numériquede la Fabrication Additive : du modèle au produit

L’essor de la FA a également été grandement facilité par l’aug-mentation des capacités de traitement des ordinateurs. En effet,c’est grâce à leur puissance de calcul accrue que s’est développéela conception assistée par ordinateur (CAO) permettant la repré-sentation 3D d’objets numériques et suscitant l’envie de lesfabriquer [3].

À l’image des procédés traditionnels, la FA s’appuie égalementsur une succession d’opérations permettant de passer de l’objetnumérique à l’objet réel : on parle de chaîne numérique. Celle-cipeut être décomposée en un séquençage de quatre étapes sché-matisées sur la figure 10 :

1. création d’un modèle numérique 3D du produit à fabriquer ;2. conversion et contrôle des données ;3. préparation de la fabrication et fabrication ;4. parachèvement du produit.

2.1 Création d’un modèle numérique 3D du produit

Toute pièce destinée à être fabriquée en FA doit posséder unmodèle numérique qui décrit parfaitement sa géométrie. Cemodèle numérique peut être obtenu de différentes façons, la plussimple étant l’utilisation d’un logiciel CAO. Nous verrons que lereverse engineering peut également être utilisé.

2.1.1 CAO directeLe développement de produits nécessite de s’intéresser au pro-

cessus de conception permettant de passer d’une idée préconçuedu produit à sa description détaillée, puis à sa fabrication. Après laphase de conceptualisation qui peut prendre plusieurs formes(esquisse, dessin, maquette ou modèle), il est nécessaire de pro-duire une description du produit sous une forme numériqueappelée maquette numérique, qui, à l’heure de l’ingénierie colla-borative, peut être partagée par les différents acteurs de la concep-tion.

Les logiciels de CAO 3D permettant la création de ces maquettesnumériques sont fondés sur la modélisation surfacique ou sur lamodélisation solide (ou volumique).

En modélisation surfacique, l’objet est défini par son enveloppe,ses surfaces-frontières. La description des surfaces est réalisée àl’aide d’équations polynômiales paramétriques telles que cellesdes B-Splines ou des NURBS (Non Uniform Rational B-Spline ).L’accent est mis sur des considérations de style/forme plutôt quesur des considérations technologiques. On retrouve des modélisa-tions destinées essentiellement aux métiers de l’aéronautique, del’automobile ou du design industriel (exemple : Atelier GenerativeShape Design de Catia©, Alias©, Rhino©).

La modélisation volumique/solide est plus répandue que lamodélisation surfacique. Elle intègre la notion de matière et reposesur les techniques de construction B-Rep « Boundary Represen-tation » et CSG « Constructive Solid Geometry ».

La construction B-Rep utilise des primitives (en général esquisses2D) permettant de créer grâce à diverses opérations (extrusion,révolution...) des volumes, qui, combinés entre eux, conduisent ausolide final.

Une approche CSG est créée par une succession d’opérationsbooléennes (union, intersection, soustraction) réalisées sur dessolides génériques (sphère, cylindre, parallélépipèdes).

Actuellement, les modeleurs solides (PTC Creo©, SolidWorks©,TopSolid©...) permettent d’appliquer une matière à une pièce etintègrent la conception paramétrique et des historiques de cons-truction.

2.1.2 Reverse engineeringLa modélisation géométrique implique aussi de savoir recons-

truire des objets à partir de la numérisation d’objets existants lors-que la maquette numérique est indisponible ou inexistante. Onparle alors de reverse engineering ou rétro-conception. Cette tech-nique est utilisée dans des domaines très variés tels que l’art (parexemple, pour la reproduction de statues) ou le médical (par exem-ple, pour la réalisation de prothèses sur mesure).

Le reverse engineering, dont le processus est illustré à lafigure 11, repose sur l’acquisition d’un nuage de points représen-tant les surfaces enveloppes de l’élément numérisé. Ces ensem-bles de points sont ensuite traités à l’aide de logiciels dereconstruction de surfaces permettant de définir la peau de l’objetà l’aide d’entités mathématiques, puis d’exporter vers un logicielde CAO. Le modèle 3D est ensuite modifié, adapté à son environ-nement et à son architecture interne. Il est également possible, àpartir du nuage de points, de réaliser un maillage STL (Stereolitho-graphy) et d’obtenir, après contrôle des erreurs éventuelles (§ 2.2)un fichier directement utilisable en FA.Figure 10 – Chaîne numérique associée à la FA

1. Création d’un modèlenumérique 3D

3. Préparation de la fabricationet fabrication

4. Parachèvement

2. Conversion et contrôle

Support




La qualité de la maquette numérique créée par cette méthodeest dépendante de la qualité du système d’acquisition de formestridimensionnelles, et de la compétence de l’opérateur qui recons-truit la surface. On distingue deux grandes familles dans lesprocédés de reverse engineering : avec ou sans contact. Leur choixnécessite de s’intéresser à des paramètres importants, parmilesquels :

– la résolution à travers l’espacement des points mesurés dansune direction donnée ;

– la précision, c’est-à-dire l’erreur maximale entre la positionmesurée d’un point et sa position exacte ;

– la répétabilité à travers la mesure de la dispersion de la posi-tion d’un point pour un protocole de mesure donné ;

– la rapidité de mesure ou la capacité à mesurer toutes lescaractéristiques d’un point en un temps donné ;

– la rapidité d’acquisition qui est le temps nécessaire pour obte-nir une information exploitable. La nuance qui existe donc entrerapidité de mesure et rapidité d’acquisition provient du tempsnécessaire au traitement des informations, en particulier dans lecas d’une acquisition en plusieurs prises ;

– le nombre de degrés de liberté ou le nombre minimal d’axesde déplacements relatifs entre le capteur et l’objet qui sont néces-saires à l’acquisition des points ;

– le volume de travail du capteur qui est le volume maximaladmissible de l’objet à numériser.

À l’issue du travail de CAO ou de reverse engineering, le fichiercréé va devroir être converti et contrôlé afin d’être utilisable pourla fabrication.

2.2 Conversion et contrôle des donnéesLe fichier STL (StereoLithography ) est le standard pour le trans-

fert des données CAO vers les machines de FA. Il est indépendantdu logiciel de CAO utilisé et sert de descripteur très simple desgéométries des pièces grâce à une approximation des surfacesenveloppes à l’aide d’un ensemble de triangles (ou facettes) et deleurs normales. Ces éléments sont obtenus par une opération defacettisation appelée tessélation.

La création du fichier STL nécessite que la modélisation surfaci-que soit optimale. Les surfaces doivent être parfaitement ferméeset orientées. Si ces deux conditions ne sont pas remplies, le fichierSTL sera de mauvaise qualité, voire inexploitable ultérieurementpar la machine. Pour pallier ce problème, une étape de contrôledes fichiers avec des logiciels adaptés tels que Magics©, Net-Fabb© ou Meshlab est nécessaire.

Les erreurs fréquemment détectées et nécessitant des correc-tions de fichier sont les suivantes (figure 12) :

a. facettisation insuffisante. Elle est généralement due à unparamètre de maille trop grand (utilisation du paramètre pardéfaut du logiciel CAO ou choix du paramètre inapproprié). Il enrésulte une approximation de la surface initiale importantecaractérisée par l’erreur de corde « d » représentant la distance

maximum séparant la facette de l’élément de surface qu’elle repré-sente. Cette erreur peut être minimisée par l’augmentation dunombre de facettes. Attention toutefois, une triangulation plus finepeut également être gênante car les fichiers STL générés nécessi-teront des temps de calcul importants ;

b. inversion des normales. Le sens de la normale au trianglepermet de connaître la position de la matière, lorsque celui-ci estinversé, il y a donc confusion sur le sens matière ;

c. absence de facettes. Il s’agit d’un trou dans le maillage ;d. présence d’éléments non manifold. Il s’agit de triangles écra-

sés ou superposés.

La principale limite du fichier STL est la pauvreté des informa-tions qu’il contient : l’historique de construction et les données dedescription (couleur, matériau...) du modèle CAO ne sont pasconservés. C’est pourquoi, pour répondre à ces limites, de nou-veaux formats de fichier ont vu le jour parmi lesquels :

– le format .VRML (ou .WRL) est utilisé pour les technologies FAcapables d’imprimer en couleur ;

– le format .AMF (Additive Manufacturing file Format ), introduiten 2013 dans le cadre de la norme NF ISO/ASTM 52915 [9] estamené à supplanter à plus ou moins long terme le STL du fait desa richesse informationnelle : prise en compte de la géométriemais aussi des matériaux, des textures, des couleurs, des nuancesfonctionnelles et des procédés de réalisation. À ce jour, quelqueslogiciels de CAO proposent ce type de format (Catia©,Solidworks©, SpaceClaim©).

2.3 Préparation de la productionet fabrication

Une fois que le fichier STL a été contrôlé, il est nécessaire dedéfinir la stratégie de fabrication qui sera retenue pour réaliser lapièce. Les paramètres à prendre en compte dans cette stratégiesont :

– l’orientation de la pièce, c’est-à-dire la définition de la directionde fabrication. Cette opération est très importante, car les piècesconstruites en FA présentent le plus souvent une anisotropie dansle sens de la fabrication ;

– la mise en plateau, c’est-à-dire le placement des pièces ;– la mise en place, pour les procédés concernés, des supports.

Ces derniers jouent le rôle d’échafaudage et sont fabriqués enmême temps que la pièce. Ils empêchent son effondrement ou sadéformation sous son propre poids en cas de porte-à-faux tropimportant.

Lorsque ces différents paramètres ont été fixés, le tranchage desfichiers STL est réalisé. Le tranchage doit prendre en compte l’épais-seur de couche et la résolution de la machine. Ce sont ces strates quivont être utilisées pour générer les trajectoires machines.

Une fois que l’ensemble des paramètres a été fixé, la productiondes pièces peut être lancée, suivie ensuite du post-traitement.

Figure 11 – Illustration du processus de reverse engineering

1. Pièce à numériser 2. Nuage de points 3. Création des entitésgéométriques

4. Modèle 3D

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2.4 Post-traitement

Les décisions prises lors des trois étapes précédentes (créationd’un modèle numérique 3D, conversion et contrôle des données,préparation de la fabrication et fabrication) ont des conséquenceslourdes sur le cycle de post-traitement des pièces fabriquées en FA(nombre d’opérations et durée de chaque opération). Parmi lesopérations pouvant être menées lors du post-traitement, citons :

– l’enlèvement des supports pour les procédés concernés ;– l’imprégnation des pièces poreuses ;– les traitements thermiques de détensionnement permettant

une relaxation des contraintes résiduelles pour les piècesmétalliques ;

– les traitements de densification (de type compression iso-statique à chaud HIP) appliqués pour augmenter la densité despièces ;

– les traitements de surfaces et de superfinition réalisésmanuellement ou automatiquement, liés à l’existence d’un effetescalier inhérent au processus de fabrication par couche.

3. Triptyque matériaux/procédés/machinesen Fabrication Additive

3.1 Matériaux

Avant même de s’intéresser aux procédés, il est important d’étu-dier la dimension matériau en FA. Aujourd’hui, les quatre famillesde matériaux sont représentées : métaux, polymères, céramiques,composites. Toutefois, les deux familles les plus utilisées sont lespolymères (thermoplastiques, résines thermodurcissables...) avec80 % des volumes vendus et les métaux (aluminium, aciers, nickel,titane...). Ces chiffres seront amenés à évoluer ces prochainesannées du fait de l’intérêt croissant des industriels pour la FAD,notamment pour les pièces métalliques.

Cependant, même si la gamme proposée ne cesse de croître,elle demeure limitée par rapport au panel des matériaux accessi-bles pour les procédés traditionnels. De plus, ces matériaux doi-vent être disponibles à l’état liquide, pulvérulent ou solide (sousforme de filament) en fonction du type de procédé auxquels ilssont destinés.

Le coût d’achat matière est un facteur non négligeable dans leprix de revient d’une pièce fabriquée en FA. Les paramètresinfluents sont la pureté du matériau, sa granulométrie ainsi que lanuance de matériau désirée.

Cependant, bien qu’une concurrence commence à apparaître, iln’est pas rare que les matériaux utilisables sur une machine soientvendus uniquement par le fabricant de cette machine. Enfin, cer-tains matériaux impliquent des précautions d’usage :

– limitation de l’exposition à l’air pour éviter l’oxydation desalliages de titane ou d’aluminium (travail sous vide ou sous atmos-phère neutre) ;

– recyclage limité voire impossible (résines photopolymères) ;– poudres certifiées pour un usage précis (biomédicale, alimen-

taire etc.) avec une multiplication du coût associé.

Enfin un dernier point à mettre en avant est la sensibilisationdes opérateurs machine aux risques pour la santé lors de la mani-pulation de poudre dont la granulométrie est très faible (quelquesdizaines de micromètres).

3.2 ProcédésHistoriquement, différentes classifications des procédés ont été

développées. Celles-ci n’offraient qu’une vision matériau alorsmême que la gamme des matériaux disponibles ne cesse des’étendre. Ainsi, pour clarifier les dénominations employées, uneclassification a été mise en place dans le cadre de la normeNF ISO 17296-2 [10]. Elle est fondée sur un regroupement, au seind’une même catégorie, de procédés qui utilisent une architecturede machine identique et pour lesquels les mécanismes physiques

Figure 12 – Erreurs courantes des STL

Surface réelle (ensemble de 4 facettes)

Facettessuperposées

Surface théorique

Surfacethéorique

Mauvaiseorientation

Bonneorientation

Surface réelle(1 facette)

Trou

facettisation insuffisantea

absence de facetteb inversion de normalec éléments non « manifold »d

d

À titre d’exemple, un kilo de PLA en filament destiné à des impri-mantes 3D grand public coûte quelques euros contre 200 à 600 €pour des alliages de titane en poudre.




de transformation des matériaux sont similaires. Cette classifica-tion permet ainsi « de discuter d’une catégorie de machines plutôtque de s’intéresser aux variations commerciales des techno-logies » [8]. On trouve dans cette classification sept catégories deprocédés FA.

3.2.1 Photopolymérisation en cuve

Pour ce procédé, une résine photosensible liquide contenuedans une cuve est durcie par polymérisation grâce à l’action d’unesource lumineuse (figure 13 et [12]). Lorsqu’une couche de résineest polymérisée, le plateau de construction est déplacé verticale-ment (axe Z) d’une distance fixée par les paramètres de productionafin de réitérer le cycle.

Les variantes de ce procédé ont pour origine la nature de lasource lumineuse qui peut être soit un laser, soit une lampe UV, etle sens de déplacement du plateau.

La polymérisation obtenue à l’aide d’un laser correspond au pre-mier brevet déposé relatif à la FA [11] et au premier procédécommercialisé. Il est plus connu sous le nom de stéréolitho-graphie. La source lumineuse est ici ponctuelle et la création d’unecouche est obtenue par balayage de la surface.

La deuxième variante repose sur l’utilisation d’un rayonnementlumineux obtenu par des lampes UV. Dans ce cas, la polymérisa-tion s’effectue simultanément sur l’ensemble de la surface expo-sée.

La dernière variante, apparue récemment, est dénommée CLIP(Continuous Liquid Interface Production ). Elle repose sur l’actioncombinée d’une lampe UV pour générer la polymérisation et del’oxygène pour protéger les zones qui ne doivent pas être solidi-fiées sur la couche. Contrairement aux deux technologies précé-dentes, le plateau est ici déplacé vers le haut et permet ainsi unefabrication continue.

L’inconvénient majeur de ce procédé, malgré une bonne préci-sion (quelques dizaines de microns) et la qualité des surfaces obte-nues, réside dans la matière première utilisée : variétés de résineslimitées, propriétés des résines inférieures à celles des polymèrestechniques (ne pouvant pas convenir aux prototypes fonctionnels)et vieillissement pouvant rendre les pièces cassantes dans letemps.

3.2.2 Projection de matière

Ce procédé fonctionne sur le principe des imprimantes à jetd’encre. Il utilise des têtes d’impression qui viennent déposer desgouttelettes de matière à la surface de la zone de fabrication. Deuxtypes de matériaux sont utilisables :

– les résines photosensibles qui, une fois déposées, sont poly-mérisées par la source lumineuse solidaire de la tête d’impression(figure 14 et [12]) ;

– les cires déposées à l’état liquide et qui, en refroidissant, vontconstituer la pièce.

Le principal avantage de ce procédé est la possibilité de réaliserdes pièces multi-matériaux et d’introduire la couleur. D’autre part,sa large gamme de matériaux (environ 60) permet d’obtenir desprototypes permettant de simuler le comportement des pièces enpolymères techniques ou standards obtenus par injection lors destests fonctionnels.

Figure 13 – Illustration du procédé de photopolymérisation en cuve, adapté de Rias [12]

z

X

Y

Pièce

Source lumineuse

Plateau de construction

Cuve

Niveau de résine

Support

Figure 14 – Illustration du procédé de projection de matière (technologie Polyjet), adapté de Rias [12]

Buses de projectionde résines photosensibles


Source lumineuse

Pièce

z

Support

x

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3.2.3 Projection de liant

Ce procédé, très proche du procédé par projection de matière,est apparu en 1993 au Massachusetts Institute of Technology sousl’appellation 3D Printing (3DP). Tout comme la projection dematière, il repose sur l’utilisation de têtes d’impression, celles-ciservant ici à projeter un liant liquide sur un lit de poudreconstituant le matériau de construction (figure 15 et [12]). Lapoudre non liée servira de support à la pièce.

La gamme de matériaux de base compatibles s’étend des poly-mères aux métaux en passant par les céramiques. La combinaisonde gouttes de liant colorées permet de réaliser des produits decouleur. Son principal inconvénient demeure néanmoins la fragi-lité des pièces obtenues, qui nécessitent généralement unpost-traitement (infiltration ou frittage) et une utilisation pour desapplications sans contrainte mécanique élevée.

3.2.4 Fusion sur lit de poudre

Le principe de la fusion sur lit de poudre est de faire fondre àl’aide d’une énergie thermique une fine couche de poudre préala-blement étalée par un rouleau sur un plateau de fabrication(figure 16 et [12]). Il implique que l’atmosphère protectrice de lachambre de fabrication soit contrôlée.

Remarque : la distinction qui existe entre fusion et frittage correspond à la quantitéd’énergie apportée. En frittage, la poudre est chauffée sans atteindre sa température defusion. Les grains de poudre se soudent alors entre eux ce qui permet de constituer la strate.

On retiendra trois catégories principales à l’intérieur de ceprocédé :

– le frittage de poudres polymères (thermoplastiques) par laserutilise des lasers CO2 d’une puissance de quelques dizaines deWatt. Les premiers brevets protégeant cette technologie sont tom-bés dans le domaine public en février 2014 ;

Figure 15 – Illustration du procédé de projection de liant, adapté de Rias [12]

Figure 16 – Illustration du procédé de fusion sur lit de poudre, adapté de Rias [12]


Poudre non liéeservant de support

Pièce

Têtes d’impression

Lit depoudre en

préparation

Rouleaud’égalisation de lacouche de poudreRéserve de

poudre

zz

y

x

Réservede poudre

Rouleaud’égalisation

de la couche de poudre

Litde poudre

en préparation

Laser ou faisceaud’électrons

Support

zz

xy

Poudre non liéePlateau

de construction

Pièce

Atmosphèreprotectrice




– la fusion de poudre métallique par laser utilise des lasers YAGde 100 W à 1 kW. Les épaisseurs de couches sont de l’ordre dequelques dizaines de microns (de 20 à 100 μm selon lesconstructeurs) ;

– la fusion de poudre métallique par faisceau d’électrons est,quant à elle, limitée aux matériaux conducteurs. Il est, dans ce cas,nécessaire de préchauffer le lit de poudre pour limiter lesgradients thermiques et donc les contraintes résiduelles. Toutefois,les états de surface des pièces sont moins bons car le faisceaud’électron est plus large que celui d’un laser.

3.2.5 Extrusion de matière

Le principe de ce procédé repose sur le chauffage d’un matériauau-dessus de sa température de fusion, puis sur son extrusion autravers d’une filière (ou buse) se déplaçant dans un plan horizon-tal. La solidification de la matière sur la couche précédente estquasi immédiate.

L’extrusion de matière a d’abord été appliquée aux matériauxpolymères thermoplastiques (procédé Fused Deposition Modeling– FDM) et est à l’origine de la création de la société Stratasys®aujourd’hui leader du marché. De nombreuses évolutions sontapparues ces dernières années :

– expiration des premiers brevets protégeant le FDM et favo-risant le développement des machines open source inspirées duprojet RepRap [13] ;

– élargissement de la gamme de matériaux conduisantnotamment à l’apparition du bioprinting (fabrication d’un tissu bio-logique à partir de cellules vivantes) ou à une utilisation dansl’industrie alimentaire ;

– multiplication du nombre de buses. Dans le cas des machinesà deux buses, l’une peut être utilisée pour déposer le matériau debase tandis que l’autre sert pour le matériau support, moins cheret se détachant de la pièce sans détériorer la surface (figure 17et [12]) ; ou bien pour la fabrication de pièces avec deux matériauxdifférents sans support.

3.2.6 Dépôt de matière sous énergie concentrée

Ce procédé est issu des techniques de revêtement laser. Sonprincipe repose sur la fusion d’une surface à l’aide d’une sourced’énergie et sur l’apport simultané d’un jet de poudre ou d’un fila-ment de matière dans cette zone en fusion, le tout en présenced’un gaz protecteur (figure 18 et [12]). Les supports ne sont pasnécessaires car le plateau de construction est déplacé suivant cinqaxes à l’image de ce que l’on peut trouver sur les centres d’usi-nage. Il permet de réaliser des matériaux à gradients de proprié-tés. La précision des pièces obtenue est plus faible que celleobtenue avec les procédés de fusion sur lit de poudre. L’épaisseurde couche est de l’ordre de 500 μm.

Aujourd’hui, ce procédé n’est développé que pour des poudresmétalliques.

Figure 17 – Illustration du procédé d’extrusion de matière – Cas d’une machine à deux buses, adapté de Rias [12]

z


Matériaumodèlecalibré

MatériausupportcalibréTête de chauffage

(résistance chauffante)

Busesd’extrusion

Support

y

x

Pièce

Figure 18 – Illustration du procédé de dépôt de matière sous énergie concentrée, adapté de Rias [12]

z

z

yx


Jet depoudre

Gazprotecteur

Source d’énergie

Support

Pièce

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3.2.7 Stratification de couches

La stratification de couches (figure 19 et [12]) est un procédécombinant l’addition et la soustraction de matière : des feuilles ouplaques de matériau sont découpées à l’aide d’un système dedécoupe (laser, outil coupant, ultrasons...), empilées, puis reliéesentre elles (mise en position, collage, soudage ultrason, éventuel-lement utilisation d’inserts...) afin de former le produit.

Tous les matériaux existants sous forme de plaques peuventêtre utilisés.

3.2.8 Synthèse

La figure 20 ci-dessous présente les usages courants en indus-trie au cours du processus de développement d’un produit dessept procédés définis par la norme NF ISO 17296-2, ainsi que leursperspectives d’évolution dans les prochaines années.

3.3 Machines pour la FA

La gamme des machines de FA actuellement disponible sur lemarché augmente rapidement. La figure 21 présente la répartitiondu chiffre d’affaires des ventes de machines selon les secteursd’utilisation, toutes catégories confondues pour l’année 2014 [14].

Cependant seules deux catégories indépendantes des procédésexistent : les machines dites de bureau et les machines industrielles.

3.3.1 Machines de bureau

Selon le cabinet Wohlers, il s’est vendu environ 140 000 machinesde ce type en 2014, un chiffre multiplié par deux en un an. On peutdistinguer deux usages distincts : les machines de bureau grandpublic et les machines de bureau professionnelles.

Les machines de bureau grand public, dont le prix d’achatinférieur à 5 000 $ (4 600 €), ont permis d’introduire la FA chez lesparticuliers et dans la communauté des « makers » dans le cadredes FabLab (ateliers collaboratifs). Une simple table peut suffirepour leur installation, et leur prise en main ne requiert pas decompétence spécifique. Ce marché des machines grand publics’est largement démocratisé ces dernières années avec les

machines open source. Cet engouement a ainsi favorisé unebaisse rapide des prix, certaines machines se vendant moins de300 $ (250 €). Cependant la gamme de matériaux disponibles estlimitée aux thermoplastiques (PLA et ABS essentiellement), la qua-lité des pièces obtenues est médiocre et les volumes de fabricationsont restreints (environ 150 × 150 × 200 mm3), cantonnant leurusage à la fabrication de prototypes de faible qualité ou à lamodélisation de concepts.

Les machines de bureau professionnelles sont une alternativeaux machines grand public. Leurs performances (vitesse, préci-sion...) et leurs caractéristiques (volume de fabrication, nuisancessonores...) sont meilleures mais leur prix d’achat est de ce fait plusélevé, de l’ordre de 5 à 50 k€. Elles sont utilisées par les industrielsqui souhaitent réaliser leurs prototypes en interne sans passer parla sous-traitance, garantissant ainsi la confidentialité des produitsen cours de développement et permettant une mise à dispositiondes prototypes dans des délais réduits.

Aux vues des évolutions actuelles, la frontière entre les machinesgrand public et les machines de bureau à tendance à devenir de plusen plus poreuse.

Figure 19 – Illustration du procédé de stratification de couches, adapté de Rias [12]

x

z

y

Plaque découpée

Systèmede découpe

Plaque découpéeProduit obtenu parempilement/collage

de strates

Figure 20 – Usages des procédés FA

Évaluation

poudre

Stratification de couches

GénérationExploration

Extrusion de matière

Projection de liant

Photopolymérisation en cuve

Projection de matière

PROTOTYPAGE RAPIDE FABRICATION RAPIDE

Fabrication (grandesséries)

Fabrication (petitesséries)

PHASES DEDÉVELOPPEMENT

DU PRODUIT

Fusion sur lit de

sousconcentrée

Dépôt de matièreénergie




3.3.2 Machines industriellesEn 2014, 12 850 machines industrielles ont été vendues dans le

monde contre 7 800 en 2012. Elles sont à la fois destinées à la fabrica-tion de prototypes fonctionnels mais aussi et surtout à la FAD. Leurutilisation nécessite un environnement spécifique reposant sur unpersonnel qualifié et sensibilisé aux spécificités de la chaîne numéri-que liée à la FA. De plus, la production de pièces avec ces machinesimplique la mise en place dans les entreprises d’un système d’assu-rance qualité destiné notamment à la certification des produits.

Le prix d’achat des machines industrielles est élevé : de 5 à 200 k€pour une machine dédiée aux polymères, et de 500 k€ à 2 M€ pourune machine destinée à la fabrication de pièces métalliques. Cettedifférence de prix s’explique par la nécessité d’une conceptionrobuste garantissant aux industriels des taux d’utilisation élevésmais également par de grandes vitesses de réalisation et des volu-mes de fabrication importants. Enfin, contrairement aux machinesde bureau, la gamme de matériaux disponible est plus large.

4. Évolutions liées àla Fabrication Additive

4.1 Processus de conceptionDans le domaine de la FA qui est en constante évolution, il n’est

pas rare de constater que les concepteurs se sentent démunis.L’apparition de la FA est en effet venue bouleverser un processusde conception fondé jusqu’ici uniquement sur les procédéstraditionnels.

On comprend donc toute l’importance de promouvoir les poten-tialités de la FA auprès des concepteurs afin qu’ils en tirent pleine-ment profit lors de la conception et de façon plus large dans unobjectif d’innovation produit. Cela implique de mettre à leur dispo-sition des outils et des méthodes adaptés aux spécificités de la FAet permettant une modification des habitudes de conceptionactuelles : c’est l’enjeu du Design For Additive Manufacturing(DFAM) ou conception pour la FA.

Cette approche DFAM fait actuellement l’objet de travaux derecherche et développement et repose sur la mise en placed’éléments destinés à faciliter le travail du concepteur tels que :

– les méthodes de sélection multicritères des procédés de FA ;– les bases de règles ou de faits permettant la prise en compte des

limites des procédés (par exemple, épaisseur de paroi minimale réa-lisable, orientation optimale en fonction des sollicitations...) ;

– les outils facilitant la création de formes et permettant de faireabstraction de formes a priori liées aux méthodes de conception

traditionnelle. Des outils reposant sur des méthodes mathémati-ques et permettant l’optimisation topologique ont été développéspar des éditeurs de logiciels comme Inspire® de SolidThinking® ;

– les outils de simulation des procédés FA destinés à optimiserles trajectoires de balayage ;

– les outils de prédiction des comportements mécaniques despièces ;

– les méthodologies destinées à favoriser le développement deproduits innovants [15].

4.2 Émergence d’un nouvel écosystèmeUn nouvel écosystème est apparu suite au développement de la

FA : la production à la demande. Il est aujourd’hui possible, grâceà la croissance de l’open design, de choisir dans des bases de don-nées en ligne le fichier CAO d’une pièce, d’y apporter les modifi-cations souhaitées, puis de la fabriquer avec sa propre machine ouen la sous-traitant à des fournisseurs de services (tels que Sha-peways ou Sculpteo®) qui se chargeront de sa fabrication. Le rap-port Wohlers 2014 [16] estime à plus de 250 le nombre dessociétés qui interviennent actuellement sur ce marché.

Cependant, ces changements soulèvent la question de la pro-priété industrielle des produits qui peuvent être désormais sifacilement reproduits ou copiés. C’est pourquoi une réglementa-tion définissant plus précisément les contours de cet écosystèmeest actuellement envisagée, mais celle-ci irait alors à l’encontre duprincipe de libre accès aux données qui en est le moteur. L’INPIfournit également des recommandations à ce sujet [17].

L’essor de la FA a également contribué au développement desFabLab, lieux de rencontre entre les activités personnelles liéesaux loisirs et au bricolage et les activités de création associées auxstartups. Là encore on retrouve la notion de mutualisation. Ce sontici les moyens et les compétences qui sont mis à la dispositiond’une communauté et non plus de simples fichiers numériques. LaFA revêt alors un rôle social qui devient notable dans le dévelop-pement de ces communautés.

5. ConclusionLes récentes évolutions des technologies de FA soulignent le

fort dynamisme de ce secteur. Ces avancées, tant au niveau desmatériaux que des formes ou de la complexité réalisables, laissententrevoir des usages innovants des procédés. Ainsi, si les applica-tions actuelles restent principalement dédiées aux productions sur-mesure (implants, chirurgie, etc.) ou à forte valeur ajoutée(aéronautique, défense, Formule 1, etc.), la démocratisation de cestechnologies va, dans un avenir proche, impacter de nombreuxdomaines tant sur le plan technologique que sur le plan social. Siles contraintes principales pour la diffusion massive de certains deces procédés restent encore une taille de pièce restreinte et descoûts machine et/ou matière élevés (en particulier pour les pro-duits métalliques), il est fort probable qu’une fois ces verrouslevés, le potentiel d’innovation lié à ces technologies pourra serévéler par leur adoption massive.

6. GlossairePrototypage Rapide (Rapid Prototyping )

Usage de la fabrication additive permettant d’aboutir à desreprésentations intermédiaires de la conception de produits telsque les concepts ou les prototypes fonctionnels.

Fabrication Rapide (Rapid Manufacturing )

Usage de la fabrication additive destiné à l’élaboration de pro-duits ou outillages finis et fonctionnels.

Figure 21 – Secteurs d’utilisation des machines de FA

Aéronautique12 %

Médical 14 %

Éducation6 %

Militaire 5 %Autres

5 %Architecture

4 %

Industrie 19 %

Biens deconsommation 18 %

Automobile 17 %

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Sigles, notations et symboles

Symbole Description

ABS Acrylonitrile Butadiène Styrène

DFAM Design For Additive Manufacturing /Conception pour la fabrication additive

FA Fabrication Additive

FAD Fabrication Additive Directe

OR Outillage Rapide

PR Prototypage Rapide

PLA PolyLactic Acid / Acide PolyLactique

STL Stereolithography

Sigles, notations et symboles (suite)

Symbole Description


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POUR

EN

SAVOIR

PLUS

Fabrication additivePrincipes généraux

par Floriane LAVERNEProfesseur agrégéLaboratoire de conception de produits et innovation (LCPI),Arts et métiers ParisTech, Paris, France

Frédéric SEGONDSMaître de conférencesLaboratoire de conception de produits et innovation (LCPI),Arts et métiers ParisTech, Paris, France

et Patrice DUBOISMaître de conférencesLaboratoire de conception de produits et innovation (LCPI),Arts et métiers ParisTech, Paris, France

Sources bibliographiques

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[17] GHILASSENE (F.). – L’impression 3D-Impactséconomiques et enjeux juridiques. LesDossiers de la Direction des Études de l’INPI,Dossier n˚ 2014-04, Paris (2014).

À lire également dans nos basesREMY (S.), LAROCHE (F.) et BERNARD (A.). – Nu-

mérisation 3D et prototypage rapide – Exem-ples d'industrialisation de produits – Incontour-nables de la numérisation 3D et du prototypagerapide. [AG 3 404], 10 janv. 2011.

MILLET (Y.). – Fabrication de poudres métalliquespar la méthode PREP® – Conclusion. [IN 221],10 janv. 2015.

PILLOT (S.). – Fusion laser sélective de lit de pou-dres métalliques. [BM 7 900] (2016).

Annuaire

Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs(liste non exhaustive)Arcam

http://www.arcam.com/

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CMEThttp://www.cmet.co.jp/eng/


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Optomechttp://www.optomec.com/

Renishawhttp://www.renishaw.com/en/additive-manufacturing-systems--15239

SLM Solutionhttp://www.stage.slm-solutions.com/index.php?index_en

Stratasyshttp://www.stratasys.com/

Voxeljethttp://www.voxeljet.de/en/

3D Systemshttp://www.3dsystems.com/

Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)Association Française de Prototypage Rapide (AFPR)

www.afpr.asso.frGlobal Alliance for Rapid Prototyping Associations (GARPA)

garpa.org

Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles –Centres de recherche (liste non exhaustive)Arts et Métiers ParisTech (ENSAM), LCPIUniversités de technologieÉcole centrale de NantesInstitut de formation aux techniques supérieuresÉcole des mines de NancyÉcole normale supérieure de Cachan

Normes et standards

NF E 67-001 2011 Fabrication additive. Vocabulaire

NF ISO/ASTM 52915 2013 Spécification normalisée pour le format defichier pour la fabrication additive (AMF)

NF ISO 17296-2 2015 Fabrication additive. Principes généraux.Partie 2 : Vue d’ensemble des catégoriesde procédés et des matières de base

Brevets

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Documents

Fabrication additivefrederic.segonds.free.fr/documents/Laverne-TI-2016.pdf · 2020. 9. 1. · Functionally Graded Material – FGM) [5]. Il s’agit de matériaux composites dont